Влияние структурных особенностей на оптические и электрофизические свойства полупроводниковых и диэлектрических пленок

Оглавление
Стр.
Введение.......................................................................1
ГЛАВА 1 ОПТИЧЕСКИЕ И ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БИНАРНЫХ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИХ ОКСИДОВ.....................................13
§1.1 Формирование диэлектрических покрытий на полупроводниках А?В5............15
§ 1.2 Оптические свойства диэлектрических пленок, полученных анодным окислением
полупроводников А3В5.....................................................18
§ 1.3 Фотоинжекционные явления в ДП и МДП структурах на основе ОаАя и ОаР 24
1.3.1 Методика измерения оптического заряжения......................... 26
1.3.2 Методика измерения инжекционных токов.............................29
1.3.3 Методика термостимулированного опустошения ловушек................29
1.3.4 Оптическое заряжение и фотоинжекционные токи в ДП и МДП структурах на основе ОаАэ..............................................33
1.3.5 Оптическое заряжение и фотоинжекционные токи в ДП и МДП структурах на основе баР...............................................42
1.3.6 Использование метода термостимулированного опустошения для определения энергии активации ловушек в АОП............................48
1.3.7 Энергетические зонные диаграммы МДП структур......................52
§ 1.4 Элементно-фазовый состав и природа ловушек заряда в оксидных слоях на
поверхности ОаАз и ОаР...................................................55
1.4.1 Элементно-фазовый состав АОП......................................55
1.4.2 Природа ловушек носителей заряда в АОП............................63
§ 1.5 Влияние свойств приповерхностной области на спектры комбинационного
рассеяния света полупроводниковых материалов А3В5........................68
1.5.1 Структурное разупорядочение монокристаллического 1пР при ионной
имплантации.......................................................68
1.5.2 Влияние поверхностного потенциала на спектры КРС в 1пР..........73
1.5.3 Лазерноиндуцированное дефектообразование в полупроводниках......80
Выводы к Главе 1............................................................84
ГЛАВА 2 ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОКСИДНЫХ СВЕРХПРОВОДНИКОВ И
ПОРИСТЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ.......................................86
§ 2.1 Получение тонко-пленочных В ГСП материалов и их фазовый состав........87
§ 2.2 Оптическая анизотропия эпитаксиальных ВТСП пленок.....................95
§ 2.3 Нанопористый кремний: методы формирования и структу рные особенности 105
§ 2.4 Спектры фотоотражения ПК.............................................108
§ 2.5 ИК спектры ПК........................................................114
§ 2.6 Исследование комбинационного рассеяния света и фотолюминесценции ПК 120
§ 2.7 Фотоакустичсская спектроскопия ПК....................................126
§ 2.8 Пространственная локализация центров люминесценции в ПК..............132
§ 2.9 Интерференционные искажения формы ФЛ спектров ПК.....................137
§ 2.10 Сравнительное исследование оптических свойств пористого кремния и
оксидов вЮ и 8Ю2.................................................... 144
§2.11 Оптические свойства пористого фосфида галлия.........................151
Выводы к Главе 2...........................................................158
ГЛАВА 3 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ
И МОДИФИКАЦИИ ТОПКОПЛЕНОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ....................................160
§ 3.1 Лазерные методы осаждения и абляции ВТСП пленок......................161
§ 3.2 Лазерная абляция алмазных материалов.................................168
§ 3.3 Использование лазерного излучения для осаждения алмазных пленок.......174
Выводы к Главе 3...........................................................183
ГЛАВА 4 ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЛМАЗНЫХ ПЛЕНОК................................184
§ 4.1 Синтез алмаза методом газофазного химического осаждения.....................185
4.1.1 Краткая характеристика методов осаждения алмазных пленок..............186
4.1.2 Установка для осаждения алмазных пленок в плазме тлеющего разряда ....189
4.1.3 Подготовка подложек для осаждения алмазных пленок
и нуклеация алмаза.....................................................198
§ 4.2 Использование спектроскопии комбинационного рассеяния света для т-ыП1
диагностики газофазного химического осаждения алмаза.........................203
4.2.1 Комбинационное рассеняие света в алмазе...............................203
4.2.2 Спектрометр КРС для т-япи исследования характеристик
алмазных пленок........................................................210
4.2.3 Результаты экспериментального ш-вйи исследования алмазных пленок 212
§ 4.3 Особенности оптических свойств поликристаллических алмазных пленок..........218
4.3.1 Некоторые физические свойства алмазных материалов.....................218
4.3.2 Спсктрофотометрические исследования алмазных материалов...............228
4.3.3 Фотоакустические измерения спектров оптического поглощения
алмазных пленок и порошков.............................................232
4.3.4 Катодолюминесценция алмазных пленок...................................242
§ 4.4 Оптическое заряжение на границе раздела кремний-алмаз.......................248
§ 4.5 Использование фотоакустической спектроскопии для исследования
теплофизических свойств алмазных материалов..................................251
4.5.1 Теоретические предпосылки использования фотоакустического эффекта
для исследования теплопроводности материалов...........................251
4.5.2 Экспериментальное определение теплопроводности алмазных пленок с помощью фотоакустического эффекта...........................................254
4.5.3 Влияние структурных особенностей на теплопроводность поликристаллических алмазных пленок.........................................260
Выводы к Главе 4.................................................................265
ГЛАВА 5 АВТОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ ИЗ УГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ........................267
§5.1 Некоторые особенности автоэлектронной эмиссии из металлов
и полупроводников..........................................................267
5.1.1 Автоэлектронная эмиссия из металлов.................................268
5.1.2 Особенности автоэлектронной эмиссии из
полупроводниковых материалов.........................................270
5.1.3 Отрицательное сродство к электрону и автоэмиссия из алмазных материалов................................................................272
5.1.4 Влияние морфологии поверхности на автоэлектронную эмиссию...........275
5.1.5 Автоэлектронная эмиссия из углеродных пленок
с аморфной структурой................................................277
5.1.6 Автоэлектронная эмиссия из углеродных материалов
с графитоподобным типом межатомных связей............................279
5.1.7 Автоэлектронная эмиссия из углеродных нанотрубок....................279
§ 5.2 Экспериментальное исследование автоэлектронной эмиссии из алмазных
поликристаллических пленок.................................................284
5.2.1 Методические особенности исследования автоэлектронной эмиссии.......285
5.2.2 Взаимосвязь автоэмиссионных и структурно-морфологических свойств алмазных пленок...........................................................288
§ 5.3 Экспериментальное исследование автоэлектронной эмиссии из
графитоподобных пленочных материалов.......................................297
§ 5.4 Влияние остаточных газов на характеристики автоэлектронной эмиссии........304
§ 5.5 Структурные и морфологические особенности графитоподобных пленок..........310
5.5.1 Э.тектронографические характеристики................................310
5.5.2 Исследования с помощью атомно-силовой и туннельной сканирующей микроскопии.............................................................311
5.5.3 Исследование с помощью электронной растровой микроскопии..........313
5.5.4 Исследования с помощью просвечивающей электронной микроскопии и микроскопии высокого разрешения.........................................314
§ 5.6 Электронная спектроскопия графитоподобных пленок........................320
5.6.1 Рентгеновские фотоэлектронные спектры.............................320
5.6.2 Спектры выхода вторичных электронов...............................326
§ 5.7 Катодолюминесценция графитоподобных пленок..............................335
§ 5.8 Модели атомной и электронной структуры графитоподобных пленок и
механизм полевой эмиссии электронов из углеродных материалов..............341
§ 5.9 Использование графитоподобных пленок в качестве холодных катодов
электровакуумных устройств................................................350
5.9.1 Катодолюминесцентные лампы диодного типа..........................350
5.9.2 Катодолюминесцентные лампы триодного типа.........................353
Выводы к Главе 5..............................................................355
Заключение....................................................................356
С11ИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................................................359
Введение
Взаимосвязь и взаимообусловленность оптических свойств материалов с их структурными характеристиками, элементно-фазовым составом, электронными свойствами делают оптические методы одними из самых универсальных и удобных для использования как в фундаментальных, так и в прикладных научных исследованиях. Обладая исключительно высокой информативностью, оптические методы исследования отличаются неразрузающим характером, оперативностью, относительной простотой в реализации. Как правило энергия квантов и интенсивность используемого оптического излучения невелики и не оказывают существенного влияния на характеристики исследуемого объекта. В то же время могут быть достаточно легко реализованы оптические методы, целью которых является именно существенная модификация материала или даже его формирование.
Одной из наиболссс привлекательных областей применения оптических методов являеіся физика полупроводников и диэлектриков и, особенно, той ее части, которая связана с изучением и формированием различных приборных струкгур на основе этих материалов. Но мере развития фундаментальных знаний и технологических приемов характерные размеры таких приборов и структур изменялись от миниметров до микрометров и продолжаю» уменьшаться, составляя в настоящее время, в ряде случаев, уже доли микрометров и даже единицы нанометров. Это обстоятельство часто делает практически безальтернативным необходимость использования оптических методов как для обеспечения пространственной избирательности анализирующего инструмента, так и из-за чрезвычайно высокой чувствительности столь малых объектов к любому внешнему воздействию.
Как правило, указанные приборные структуры формируются на основе тонкопленочных материалов или используя их тонкие приповерхностные слои. В зависимости от конретных особенностей исследуемых материалов, их назначения
1
привлекаются тс или иные экспериментальные методики и физические модели, позволяющие получить ответы на соответствующие вопросы. Так сочетание методов оптической спектроскопии и изучения фотоинжекционных явлении позволяет получить исчерпывающую информацию о структурах диэлектрик-полупроводник (ДП), металл-диэлектри-полупроводник (МДП), предметом исследования в которых являются как свойства собственного самих диэлектрических и полупроводниковых материалов, так и характеристик границ раздела между ними и, в частности, межфазных энергетических барьеров. Знание спектральных особенностей коэффициентов поглощения, отражения позволяет сделать определенные заключения об их структурных, электронных свойствах. Чрезвычайно информативным для этого оказывается и метод комбинационного рассеяния света (КРС). Особую значимость эти параметры имеют при разработке методов обработки и формирования материалов с помощью мощного оптического излучения.
П настоящей диссертации представлены результаты исследований, проводившихся непосредственно автором, под его руководством или в рамках совместных исследований в период с 1985 по настоящее время по различным конкретным направлениям, находящимся в рамках одной общей задачи. заключающейся в выявлении взаимосвязи структурных особенностей полупроводниковых и диэлектрических тонкопленочных материалов с их оптическими и электрофизическими свойствами, а также формирования таких материалов с заданными свойствами. Диссертация состоит из пяти глав, введения и заключения.
Первая глава диссертации посвящена рассмотрению работ, направленных на изучение структур диэлектрик-полупроводник (ДП) и метаил-диэлектрик-полупроводник
1 с
(МДП) на основе соединений типа А IV. Особенности физических свойств таких полупроводниковых материалов, отличающие их от традиционного кремния, позволяют создавать принципиально новые типы электронных приборов. Также как и в кремниевой электронике одним из важнейших элементов таких приборов служат диэлектрические
слои на поверхности полупроводникового кристалла. Такие слои могут создаваться как специально, так и самопроизвольно в результате окисления полупроводника при контакте с окружающей атмосферой. Параметры диэлектрических слоев (элементно-фазовый состав, структурное совершенство, электронные свойства), состояние границы раздела между диэлектриком и полупроводником определяют процессы переноса заряда, а, следовательно, параметры электронного устройства и саму его работоспособность. В представленных в диссертации исследованиях изучались диэлектрические оксидные слои па ряде полупроводниковых материалов, включая ОаЛБ. ОаР, ваАзР, 1пР. Проведено изучение их оптических характеристик, определен состав, структурные особенности. На основе данных, полученных при исследовании фотоинжекционных явлений, предложена модель энергетической зонной диаграммы для ДП и МДП структур. Определена природа зарядовой нестабильности в таких структурах и механизмы возникновения глубоких ловушек носителей заряда в диэлектрическом слое. Методом комбинационного рассеяния света (КРС) выявлены структурные изменения в приповерхностных слоях полупроводниковых монокристаллов, возникающих при воздействии мощного лазерного излучения или облучения ионами. Продемонстрирована высокая чувствительность КРС к состоянию электронной подсистемы приповерхностных слоев бинарных полупроводников А3В5.
Во второй главе рассматриваются результаты, полученные при исследовании пленок высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) и слоев пористых полупроводников. В рамках данной работы свойства этих материалов анализировались с точки зрения их зависимости от структурных особенностей нанометрового и суб-нанометрового масштаба. Одна из основных особенностей ВТСП материалов состоит в наличии линейных (или близких к линейным) цепочек - М - О - . Поэтому степень структурного совершенства и. особенно, стехиометрия по кислороду являются определяющими параметрами для наиболее важной особенности этих материалов - их
3
сверпроводящих свойств. В результате проведенных нами исследованиях был разработан новый метод оптического контроля степени структурного совершенства ВТСГТ материалов, основанный на анализе их оптической анизотропии. Применение предложенного метода позволило оптимизировать технологию осаждения пленок и получить, в итоге, структурно совершенные эпитаксиальные пленочные материалы, на основе которых были созданы высокоэффективные сверпропроводниковые электронные приборы. Проведенное оптическими методами, включая КРС, изучение эпитаксиальных пленок позволило выявить взаимосвязь степени их структурного совершенства и стехиометричности состава по кислороду. Предложена физическая модель, объясняющая высокие сверхпроводящие свойства эпитаксиальных пленок с неполной стехиометрией по кислороду.
В отличие от ВТСИ материалов основной особенностью пористых полупроводников является нарушение структурной упорядоченности материала. Получаемые, обычно, электрохимическим травлением монокристаллических пластин пористые полупроводники представляют собой слои, состоящие из элементов исходного монокристалла с размерами от нескольких микрон до нанометров, разделенных порами с такими же характерными размерами. Структура каждого такого элемента мало отличается от кристаллической решетки исходного монокристалла. Однако свойства (и особенно оптические) слоев пористых полупроводников претерпевают существенные изменения. Материалы этого типа имеют исключительно высокую удельную поверхность, что, с одной стороны, и определяет их свойства, а, с другой стороны, делает их чрезвычайно чувствительными к внешним воздействиям и затрудняет получение адекватных данных в ходе экспериментальных исследований. Для преодоления этой проблемы в данной работе был использован метод фогоакустической спектроскопии (ФАС), сочетающий в себе достаточно высокую информативность и неразрушающий характер измерений. Исследование методом ФАС слоев пористого кремния (ПК), полученных при
4
варьировании определяющих их структурные особенности условий получения этих пленок, позволило впервые выявить ряд характерных особенностей спектров оптического поглощения. В сочетании с результатами исследования фотолюминесценции (ФЛ), спектров КР и некоторых других свойств, эти данные позволили показать, что слои ПК содержат несколько групп структурных особенностей, ответственных за формирование различных физических свойств этого материала. Множественный характер этих структурных особенностей, их разнообразие, сложный характер зависимости от условий приготовления и последующей обработки или хранения образцов позволяют сделать только наиболее общие заключения о их взаимосвязи с конкретными свойствами материала. Эти выводы были подтверждены исследованиями впервые полученного нами другого пористою материала - порист ого фосфида галлия.
Результаты исследований, направленных на изучение методов формирования или модификации свойств материалов с помощью мощного оптического излучения, представлены в третьей главе. В частности, мощное оптическое (лазерное) излучение было использовано для формирования двумерных структур заданной конфигурации на тонких эпитаксиальных ВТСП пленках. Используя специфическую особенность этих материалов, заключающуюся в упоминавшейся выше зависимости их сверхпроводящих свойств от стехиометрии по кислороду, были разработаны методы, позволяющие путем нагрева ВТСП пленки лазерным излучением локально понижать содержание кислорода, создавая тем самым требуемую модификацию ее свойств. Предложенный метод нашел эффективное применение при изготовлении приборных структур на основе ВТСП пленок.
В этой же главе представлены результаты исследований по использованию лазерного излучения для обработки, модификации и осаждении алмазных материалов. Из-за большой величины запрещенной зоны алмаза (около 5,5 эВ) эффективное поглощение света, а значит и воздействие излучения на материал требует использования лазерных источников ультрафиолетового диапазона. Однако, в ходе проведенных нами
5
исследований было установлено, что при определенных условиях эффективная лазерная обработка может производится, используя промежуточную стадию - графитизацию алмаза. Эта способность алмаза к графитизации была использована также при разработке лазерных методов внедрения нанометровых алмазных кристаллитов в материал подложек, используемых для последующего осаждения алмазных пленок. Предложенные на основе проведенных исследований методы позволили эффективно повысить плотность центров нуклеации и существенно улучшить параметры получаемых пленок, а также выращивать пленки с заданной конфшурацией.
Уникальные свойства алмаза делают его привлекательным объектом как для разнообразных применений, гак и для фундаментьных научных исследований. Особый интерес к алмазным материалам в последнее время связан с разработкой методов получения их в виде тонких пленок достаточно большой площади. В четвертой главе диссертации представлены результаты исследования пленочных алмазных материалов, получаемых методом газофазного химического осаждения с помощью созданной нами оригинальной установки и разработаннных методик. Одной из отличительных особенностей этой установки является ее объединение со спектрометром комбинационного рассеяния света, позволившее получать информацию о структурных особеностях пленок непосредегвенно в ходе их осаждения. Используя метод фотоакуетической спектроскопии были проведены исследования спектров оптического поглощения алмазных поликристаллических пленок и порошков, синтезированных при различных условиях. Сравнительный анализ результатов позволил выявить ряд специфических особенностей в оптических свойствах пленок, обусловленных их поликристаллической структурой. Некоторые особенности, касающиеся электронных свойств пленок, были выявлены также при исследовании их катодолюминесцсиции. Применение фотоакустических измерений оказалось чрезвычайно эффективным для
6
изучения другого важного свойства алмазных материалов - теплопроводности. В работе предложен новый метод имерения этого важнейшего параметра.
Другой замечательной особенностью алмазных пленок, рассмотрению которой посвящена пятая глава, является высокая эффективность авто электрон ной эмиссии. Низкие значения пороговых напряженностей электрического для такой эмиссии в алмазе объяснялись отрицательным сродством к электрону на поверхности алмаза. Однако это объяснение находится в противоречии с рядом экспериментальных фактов, свидетельствующих о повышении эффективности полевой эмиссии с увеличением доли неалмазного углерода в поликристаллических пленках. В ходе наших исследований были получены углеродные пленочные материалы, которые продемонстрировали рекордно высокие параметры нолевой эмиссии. Проведенные исследования показали, что такие пленки состоят из нс алмазного, а графитоподобного углерода. Используя электронную микроскопию, было показано, что этот графитоподобный материал представляет собой углеродные нанотрубки и графитные кристаллиты, имеющие преимущественную пространственную ориентацию, способствующую локальному усилению электрическог о поля на участках поверхности, эмигрирующей электроны. На основе комплексного изучения структурных, морфологических, электронных особенностей таких графитоподобных пленок был предложен новый механизм полевой эмиссии, который позволяет также объяснить особенности полевой эмиссии для широкого класса других углеродных матерапов, включая алмазные поликристаллические пленки, углеродные нанотрубки, алмазоподобные и другие аморфные углеродные пленки.
Направленность представленных в диссертации исследований на решение прикладных задач и выяснение связанных с ними фундаментальных закономерностей обу славян вливаю г их актуальность. Представленное краткое описание результатов, изложенных в диссертации свидетельствует об их научной новизне, подверждаемой также как оригинальностью методических подходов, использованных при их получении, так и
7
решением в ходе исследований научных проблем, остававшихся нерешенными к моменту их постановки. Научная и практическая ценность работы заключается в получении ряда новых научных результатов, разработке новых методов экспериментального исследования, созданнии для их реализации установок, в предложенных для объяснения рада экспериментально наблюдаемых эффектов физических моделей, в том числе:
данных об элементно-фазовом составе, структуре, ширине запрещенной зоны оксидных слоев на поверхности полупроводников ОаЛэ, ОаР, ОаАзР, энергетических барьерах на межфазных границах ДП и МДП структур, энергетическом и пространственном положении ловушек носителей заряда в оксидных слоях и построенных на их основе моделях энергетических зонных диаграмм; данных об особенностях структурной модификации при воздействии мощного лазерного излучения и ионной бомбардировки монокристаллических ОаР и 1пР, о состоянии электронной подсистемы этих материалов в приповерхностной области;
- данных об анизотропии оптических свойств эпитаксиальных ВТСП пленок, методе исследования, основанном на изучении этого свойств и позволяющем определять степень структурного совершенства пленок, взаимосвязи сверхпроводящих свойств пленок со степенью стехиометрии по кислороду;
- данных о зависимости спектральных особенностей люминесценции, поглощения света и КРС пористых кремния и фосфида галлия от условий их получения,
пространственной локализации различных центров, ответственных за формирование спектров поглощения и люминесценции пористого кремния их взаимосвязи со
степенью окисления, а также об особенностях электронной подсистемы и
теплопроводящих свойствах пористого кремния;
- данных о модификации свойств ВТСП пленок и алмазных материалов под воздействием лазерного излучения и разработанных на их основе методов и установок, предназначенных для лазерной обработки с цслыо формирования двумерных
пленочных структур, а также данных о взаимодействии лазерного излучения с нанокристаллическим алмазным порошком и его внедрения в материал подложек для осаждения алмазных пленок с целью увеличения плотности нуклеацин;
- данных об особенностях оптических свойств алмазных пленок и их взаимосвязи со структурными характеристиками, методами и режимами получения, методах и установках для исследования и получения алмазных поликристаллнческих пленок с различными структурными характеристиками, включая фотоакустический метод исследования теплофизических параметров алмазных материалов;
методах формирования углеродных пленочных материалов с различными структурными характеристиками, включая поликрнсталлический алмаз, углеродные нанотрубки, аморфные углеродные материалы и данных об их автоэлектронных эмиссионных свойствах, структурных и электронных особенностях, механизме нолевой эмиссии электронов и методах ее практического использования.
К защищаемым положениям диссертации относятся
- утверждения, что основной компонентой анодных оксидных пленок на СаАэ, СаР, ОаАэР являются сложные оксидные соединения типа ОаАэОт, 0аРО4, ширина запрещенной зоны которых находятся в диапазоне от 4,5 до 5 эВ а, ф также конкретные значения энергетических барьеров на границе раздела полупроводник-диэлектрик и полупроводник-металл указанные в тексте диссертации; методе исследования оптического поглощения в диэлектрических пленках на полупроводниковых подложках, заключающемся в сравнении спектров возбуждения фотолюминесценции для подложек с пленкой и без пленки; природе зарядовой нестабильности в ДП системах на основе указанных полупроводников, протяженности и плотности “хвостов” плотности состояний, и глубоких ловушек носителей заряда, а также их обусловленность структурными дефектами различного типа;
9
- утверждения о взаимосвязи структурных параметров приповерхностного слоя полупроводниковых материалов Оа1\ 1пР с воздействием мощного лазерного излучения и ионной бомбардировки, а также о влиянии структурных особенностей приповерхностного слоя полупроводника на его электронную подсистему и проявлении этих эффектов в спектрах КРС;
- утверждение о взаимосвязи оптической анизотропии поглощения и отражения света со структурным совершенством и сверхпроводящими свойствами эпитаксиальных ВТСП пленок и метод диагностики сверхпроводящих свойств пленок, основанный на изучении их оптической анизотропии;
- утверждение о различии природы центров, ответственных за формирование спектров оптического поглощения и фотолюминесценции пористого кремния, о множественном характере этих центров, об их взаимосвязи с характерными размерами, составляющих пористый кремний элементов и степенью их окисления;
- методы и установки, использующие лазерное излучение для формирования двумерных пленочных структур ВТСП и алмазных материалов, в том числе путем лазерной абляции и внедрения наноразмерных частиц алмаза в подложки, используемые при газофазном химическом осаждении алмаза;
- методы и установки для осаждения алмазных 11 о л икристалл и чес ки х пленок, исследования их оптических и теплофизических характеристиках, утверждения о взаимосвязи особенностей спектров оптического поглощения, катодолюминесценции, комбинационного рассеяния, теплопроводности поли кристаллических алмазных пленок и порошков с их структурными характеристиками, электрофизических характеристках и зонной энергетической диаграмме структур алмазная пленка-кремний;
- методы и установки для проведения исследований автоэлектронной эмиссии из пленочных углеродных материалов, утверждения о возможности объяснения полевой
10
эмиссии в различных углеродных материалах с точки зрения единого механизма, заключающегося в туннелировании электронов через энергетический барьер на границе графитоподобного материала с модифицированными электронными свойствами, обеспечивающими снижение эффективной работы выхода. Представленные в диссертации результаты прошли апробацию в ходе выступлений на различных научных конференциях и семинарах, в том числе: Всесоюзное совещание “Физика поверхностных явлений в полупроводниках”, Киев (СССР), 19X4; IV Bilateral Soviet-German Seminar on High Temperature Superconductivity, St.Petersburg (Russia), 1991; Int. Symp. on Superconductivity, Kobe (Japan), 1992; Int. VacuumCongress/Int.Conf. on Solid Surfaces, The Hague (The Netherlands), 1992; Applied Superconductivity Conf., Chicago (USA), 1992, Boston (USA), 1994; Int. Conf. on Raman Spectroscopy, Wurzburg (Germany), 1992; European Conf. on Diamond and Related Materials “DIAMOND”, Heidelberg (Germany), 1992, II Ciocco (Italy), 1994, Tours (France), 1996, Edinburg (UK), 1997, Crete (Greece), 1998, Prague (Czech Republic) 1999: Int. Conf. on the New Diamond Science and Technology, Heidelberg (Germany), 1992, Kobe (Japan), 1994; Meeting of the Electrochemical Society / Int. Symp. on the Applications of Diamond Films and Related Materials, Honolulu (USA), 1993, Reno (USA), 1995, Paris (France), 1997, Phoenix (USA), 2000; IV Межрегиональное совещание “Тонкие пленки в электронике”, Москва-Улан-Удэ, 1993, Йошкар-Ола, 1996; Int. Conf. on Physics of Low-Dim. Structures, Chernogolovka (Russia), 1993; Int. Conf. on Thin Films, Vienna (Austria), 1993; Int. Symp. on Diamond Films, Minsk (Belarussia), 1994, St. Petersburg (Russia), 1996: Meeting of Material Research Society, Boston (USA), 1994, 1998. 2000, San Francisco (USA), 1999; European MRS Meeting, Strasbourg (France), 1994; Int. Conf on Solid State Devices and Materials, Yokohama (Japan), 1994; Int. Workshop on Laser Microtechnology and Laser Diagnostics of Surfaces, Chernovtsy (Ukraine), 1991; Conf. on Lasers and Electro-Optics Europe, Amsterdam (The Netherlands), 1994; NA TO ASI Conf on Application of Particle and Laser Beams in Materials Technology, Thessaloniki (Greece), 1994;
11
Конференция “Физика и технология алмазных материалов”, Москва, 1992, 1996; Japan New Diamond Forum, Tokyo (Japan), 1995; Int. Conf. on Electron Microscopy SCANNING. (USA), 1997; Международная конференция “Лазеры'*, Москва, 1998, Int. Conf. on Porous Semiconductors Science and Technology, Mallorca (Spain), 1998; Int. Conf. on Lasers in Synthesis, Characterization and Processing of Diamond, Tashkent (Uzbekistan), 1997, Int. Symp. on Diamond Electronics Devices, Osaka (Japan), 1998; Российская конф. по электронной микроскопии, Черноголовка, 1998; Workshop on Surface and Interface Optics, Sainte-Maxime (France), 1999; Int. Vacuum Microel. Conf., Asheville (USA), 1998, Darmstadt (Germany), 1999; Int. Workshop on Electronic Properties of Novel Materials, Kirshberg (Austria), 1999, 2000; Int. Conf. on Nanostr. Mat., Stockholm(Sweden),1998; Int. Conf. on Frontier Carbon Technol., Tsukuba(Japan), 1999; Н.-т. семинар “Дисплей-99”, Фрязино,1999; Int. Display Research Conf., Berlin(Germany),1999; Workshop “Fullercnes and Atomic Clusters”, St.Petersburg,1999; Int.Symp. on Vacuum, Thin Films, Surface/Interfaces and Processessing, Seattle (USA), 1999.
Достоверность полученных и представленных в диссертации результатов подтверждается использованием апробированных и обоснованных методов, теоретических представлений, тщательностью проведенных измерений, согласия экспериментальных результатов, полученных независимыми методами исследований, работоспособностью созданных устройств и установок, а также е результатами других исследователей.
Личный вклад автора заключается в выборе направлений исследований, формулировке и постановке конкретных задач, проведении теоретических исследований, разработке схем установок и методов измерений, непосредственном участии в проведении экспериментов, в обработке и интерпретации полученных результатов.
12
ГЛАВА 1
ОПТИЧЕСКИЕ И ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БИНАРНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИХ ОКСИДОВ
Как это хорошо известно, основу современной микроэлектроники составляют полупроводниковые приборы на основе кремния. В то же время тот факт, что кремний является непрямозонным полупроводником, делает его неприемлемым для создания целого ряда электронных устройств. В первую очередь это может быть отнесено к оптоэлектронике, основными материалами которой стали по этой причине бинарные полупроводниковые соединения типа А'В\ Особенно широкое практическое применение нашли входящие в эту группу арсенид и фосфид галлия. Последний используется при создании светодиодов, высокотемпературных выпрямителей, является перспективным материалом для селективных фотоприемников ультрафиолетового диапазона. Особенности электронного строения арсенида галлия - высокая подвижность носителей заряда, высокая квантовая эффективность излучательной рекомбинации - делают его незаменимым при изготовлении свето- и фото-диодов, быстродействующих электронных приборов.
Как правило, процесс создания электронного полупроводникового прибора включает формирование на его поверхности диэлектрической пленки, которая служит диэлектрическим слоем в структурах металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) или. например, выполняет роль пассивирующего покрытия. Одним из наиболее удобных способов формирования диэлектрического покрытия на полупроводниковой пластине является ее окисление. Однако, в отличие от моноатомных и Ое, оксидные пленки на поверхности бинарных полупроводниковых соединений оказываются значительно более сложными по фазовому составу, структурным особенностям, а также по их физическим параметрам, включая электрические, оптические и т.п. характеристики. Указанные
13
обстоятельства требуют проведения соответствующих исследований для установления как самих параметров оскидных пленок, так и для оптимизации технологических процессов их получения.
Оксидирование полупроводника существенно изменяет электрофизические свойства в его приповерхностной области. Принимая во внимание, что такое окисление практически всегда имеет место в результате контакта с кислородсодержащей атмосферой, исследование свойств границы раздела оксид-полу проводников представляет значительный интерес. Одним из важнейших аспектов таких исследований является изучение модификации свойств приповерхностных областей полупроводника вследсвие наличия оксидной пленки или в результате, например, диффузии имплантирующей примеси, ее структурного разупорядочения в результате ионной имплантации и т.п. причин.
Указанные выше соображения послужили основанием для формулировки целей и задач исследований представленных в данном разделе:
изучение особенностей оптических и фотоэлектрических свойств оксидных слоев на поверхности полупроводниковых соединений типа и их взаимосвязи с фазовым составом оксидов,
- выявление особенностей транспорта электронов через оксидные слои и их влияние на электрофизические свойства структур диэлектрик-полупроводник,
- изучение модификации оптических и электрофизических свойств приповерхностных слоев бинарных полупроводниковых материалов в результате диффузии прммессй в сильнолегированных полупроводниках, ионной имплантации и отжига, воздействия мощного лазерного излучения.
14
§1.1 Формирование диэлектрических покрытий на полупроводниках А3В5
Как уже указывалось, в случае моноатомных 81 и Ое наиболее удобным способом формирования диэлектрических изолирующих покрытий оказывается термическое окисление. Однако окисление бинарных полупроводниковых материалов представляет собой гораздо более сложный химический процесс. Образующийся при этом пленка, как правило, состоит из нескольких оксидов, имеющих сильно различающиеся физические свойства (плотность, температурный коэффициент расширения и т.п.) [1]. Кроме этого термическое окислении этих материалов, происходящее при относительно высоких температурах, может сопровождаться диффузией элементов III группы через оксидный слой, что приводит к образованию, например, на ОаАя практически чистого ОагОз. Возможности использования термического окисления материалов Л3В5 ограничены также относительно низкими температурами их декомпозиции (930 К для ОаЛ$ [2,3], 950 К для СЗаР [4], 630 К для 1пР [5] и т.п.). В результате всех перечисленных причин количество структурных дефектов в таких оксидных пленках оказывается чрезвычайно большим [5,6,7], что делает их неприемлемыми для практического использования.
В качестве изолирующих пленок могут использоваться также различные диэлектрические материалы (например. 81з^, ОсзМ.*, БЮг, АЬО? и т.н.), наносимые на поверхность полупроводниковой пластины в ходе пиролиза металл- или кремний-органнческих соединений [8,9], термического [10,11,12] или анодного [12,13] окисления предварительно напыленного металла, с помощью фотохимических процессов [14] и т.д. Несмотря на достижение по ряду отдельных параметров удовлетворительных результатов, эти методы нанесения диэлектрических покрытий из чужеродных материалов не позволяют получить требуемого уровня для всех практически важных параметров. Общим недостатком структур с чужеродными диэлектриками является значительная временная нестабильность, связанная, вероятно, с механическими напряжениями, существующими на границе раздела двух сильно различающихся по физическим и химическим свойствам
15
материалов [15,16]. Необходимо отметить, что на границе раздела чужеродной диэлектрической пленки и полупроводниковой пластины всегда присутствует тонкий слой собственного оксида, образующегося на поверхности пластины в результате контакта с окружающей средой.
Таким образом оксидирование полупроводниковых пластин могло бы быть наиболее приемлемым с практической точки зрения, если бы был обепечен их более однородный состав, снижение температуры процесса их образования и некоторые другие важные с технической точки зрения параметры. Одним из перспективных способов решения данной задачи может служить “сухое” окисление в кислородной плазме. Такой процесс реализуется при относительно низкой температуре подложки (до 500 К), используя плазму, активированную высокочастотным разрядом [17,18,19] или разрядом постоянного тока [19,20,21]. Отсутствие контакта с влажной средой составляет важное преимущество данного метода, так как оксиды элементов, составляющих соединения типа А3В5 (мышьяк, фосфор и т.п.) легко вступают в реакцию с водой, образуя кислоты (мышьяковистую, фосфатную). Однако электрические параметры получаемых этим методом оксидных пленок уступают оксидным слоям, выращиваемым в ходе электрохимического процесса [15,22].
Именно этот метод создания собственных оксидных слоев был выбран в качестве основного в данной работе. Подготовка образцов осуществлялась в рамках совместного исследования сотрудниками МИЭТ (г. Зеленоград) Ю.Н. Сосновских и И.Н. Сорокиным. Детальное описание технических особенностей данного метода приводится в обзоре [5]. Обычно в качестве электролита использовался, так называемый, ЛО\¥ раствор, содержащий воду, гликоль и какую-либо электропроводящую добавку (винная или лимонная кислоты) [2,22,23,24,25]. При подготовке образцов для исследований использовались полупроводниковые подложки различных типов. 'Гак для проведения фотоннжекционных измерений и регистрации ИК-спектров использовались полированные
16
с оптическим качеством пластины монокристаллических GaP и GaAs n-типа с концентрацией электронов К)17 - 1018 см -3. Для фотолюминесцентных измерений применялись образцы эпитаксиальных пленок легированного цинком и кислородом GaP p-типа (концентрация дырок К)1 -1018 см'3), полученных методом газофазной эпитаксии на подложках n-типа. Радиоспектроскоиические измерения (ЭПР) выполнялись на образцах, полученных на пластинах полуизолирующих GaAs и GaP, что позволяло предотвратить ухудшение добротности резонатора. Перед окислением полупроводниковые пластины обезжиривались в толуоле и химически травились в растворах НС1:НЫОз=1:1 (для GaP), H2S04:H202:H20 = 3:1:1 (для GaAs).
Процесс анодного окисления проводился в комбинированном режиме, состоявшем из гальваностатической и потенпиостатической стадий [26]. В ходе гальваностатической стадии плотность тока варьировалась в диапазоне 0.1-3 мА см'2. Потенциостагическая стадия, как правило, прекращалась при достижении плотности тока на порядок меньшей плотности тока гальваностатической стадии. Так как для электрохимического окисления необходимо наличие свободных дырок, то при окислении полупроводников n-типа и полуизолирующих подложек поверх посте» кристалла освещалась светом в области фундаментального поглощения.
Как правило, толщина получаемых для данного исследования анодных оксидных пленок (A01I) составляла около 100 нм. В некоторых случаях подготавливалнвались более “толстые” пленки - до 200 нм. Толщина оксидных пленок контролировалась эллипсометрически, используя эллипсометр МЭ-2, одновременно для них определялся коэффициент преломления света па длине волны 633 нм.
Использовавшиеся в ходе исследований МДГ1 структуры формировались путем напыления поверх АОГ1 алюминиевого электрода, состоявшего из двух налагающихся областей: полупрозрачной с коэффициентом пропускания света 30-60% и относительно толстой (200-300 нм), служившей контактной площадкой.
17
§ 1.2 Оптические свойства диэлектрических пленок, полученных анодным окислением полупроводников А3В5
Оптические свойства ЛОП представляют особый интерес в связи с широким использованием бинарных полупроводниковых материалов типа А3В5 в различных оптоэлектронных устройствах. Имевшиеся к моменту постановки данного исследования литературные данные о спектральных особенностях коэффициента поглощения света в наиболее интересном с практической точки зрения диапазоне ближнего ультрафиолета носили качественный характер [27, 28]. Это было обусловленно, главным образом, проблемами методического характера. Обычно используемые для таких исследований методы основании на наблюдении интерференции в тонких пленках и на эллипсометрических измерениях и имеют не достаточно высокую чувствительность имсно в УФ спектральной области из-за отсутсвия источников света достаточной мощности. Полученные в этих работах данные позволяют сделать только относительно грубую оценку ширину запрещенной зоны для ЛОП на (ЗаАз как Е^5,0 эВ. Для СіаР такая оценка оказалась еще более приблизительной (Ев«6,0 эВ), так как она была сделана но зависимости, полученной экстраполяцией экспериментальной кривой в область энергий более 6 эВ.
Для определения этого одного из важнейших параметров диэлектрических пленок в нашей работе был предложен новый метод, основанный на измерении и сравнении спектров возбуждения фотолюминесценции полупроводниковых пластин без оксидного слоя и покрытых слоем ЛОП. Находящаяся на поверхности люминссцирующего материала АОІІ, выполняет роль оптического фильтра, спектр поглощения которого видоизменяет спектр возбуждения фотолюминесценции. Для учета интерференционного искажения экспериментально получаемых зависимостей одновременно проводилась регистрация спектров отражения света. Принимая во внимание возможную зависимость эффекгивности и сиекгральных особенностей фотовозбуждения люминесценции от
18
дополнительных рекомбинационных центров, создаваемых в процессе окисления, изгиба зон и т.п. явлений в приповерхностной области полупроводника, нами проводилось сравнительное исследование образцов со слоем АОП и образцов, полученных при стравливании предварительно нанесенного стандартным образом на поверхность слоя анодного оксида. Стравливание проводилось соляной кислотой, которая удаляет только АОП, не затрагивая материал полупроводниковой подложки [29]. Для минимизации возможного влияния приповерхностного изгиба зон все образцы предварительно прогревались в аргоне при 520 К, что эффективно снижает величину встроенного заряда. Дополнительным аргументом в пользу возможности использования данного метода служит хорошо известное обстоятельство слабой зависимости положения уровня Ферми на поверхности полупроводников А В? от внешних воздействий вследствии высокой плотности поверхностных состояний, фиксирующих этот уровень вблизи середины запрещенной зоны [30].
В качестве источника света использовалась ксеноновая лампа сверхвысокого давления ДКСШ-1000 (или ДКСЭл-1000), излучающая достаточно мощный поток света в широком снектратьном диапазоне. Свет в заданном спектральном участке выделялся светосильным решеточным монохроматором МДР-2 и фокусировался на поверхности образца, помещенного в оптический криостат. Спектры фотолюминесценции анализировались системой, состоящей из решеточного монохроматора МДР-23 и ФЭУ-106 или ФЭУ-83, работавшими в режиме счета фотонов, для чего последний, например, охлаждался до температуры жидкого азота. Конструкция криостата и использовавшаяся оптическая схема позволяли проводить одновременно измерения спектров отражения.
Типичные зависимости спектров отражения (RAon/R(hy)), полученных для образцов GaAs, GaP и GaAsP со слоем АОП толщиной 100 нм [31] представлены на рис. 1.1. Нормированные на 1 спектральные зависимости имеют характерный для оптической интерференции осциллирующий вид.
19
3 4 5 6 3 4 5 6 3 4 эВ
Рис.1.1 Типичные зависимости спектров отражения (Ялсн/Кфу)\ полученных для образцов ОаАэ (1). ОаР (2) и ОаАьР (3) со слоем АОП толщиной 100 нм [31].
Уменьшение относительной интенсивности максимумов в этой зависимости означает увеличение поглощения [32]. Грубая оценка, которую позволяет сделать анализ зависимостей подобного рода, указывает на примерное совпадение ширины запрещенной зоны АОП для всех из исследованных полупроводниковых материалов. Возможные незначительные различия могут быть обусловлены разной степенью “размытия" границ собственного поглощения.
Наличие интерференционных экстремумов в зависимости 11Ло[рЩЬу) позволяет определить другой важный оптический параметр диэлектрического слоя - показателя преломления АОП. В соответствии с известным [32] соотношением условие экстремумов может быть записано в виде: 1=4пЛ Соь(р/к, где А - длина волны света, п - показатель преломления, с! - толщина пленки, (р - угол падения света, к =1,3,5.... для минимумов и к =2,4,6.... - для максимумов отражения. Толщина АОП, определявшаяся
эллипсометрически для всех исследовавшихся, образцов имела величину в пределах ЮО-120 им. Величина показателя преломления, также определявшаяся эллипсометрически на длине волны 633 нм, составляла 1,82 и 1,61 для АОП на ОаА5 и ОаР, соответственно.
20
Используя эти данные, были получены дисперсионные кривые для показтелсй преломления различных АОП в диапазоне энергий квантов от 2 до 5,5 эВ (см. рис. 1.2).
Рис. 1.2 Дисперсионные зависимости показтелей преломления различных АОП (ОаАз (1), ОаР (2), ОаАиР (3)) в диапазоне энергий квантов от 2 до 5,5 эВ [31 ].
Измеренные для этих же образцов спектры фотолюминесценции имели обычный для указанных материалов вид. Для примера на рис. 1.3 показаны два типичных ФЛ спектра ОаАв и ОаР.
Для всех образцов определялись спектры возбуждения ФЛ в диапазоне от 2 до 6, 2 эВ. Аналогичные спектральные зависимости (спектры возбуждения ФЛ) были получены для образцов с удаленным оксидным слоем. После этого производилось сравнение нормированных спектров, из которого с учетом закона поглощения света: 1~ехр(-Ы) , где I - интенсивность света, прошедшего через слой вещества толщиной с/, к - показатель поглощения света, были получены дисперсионные зависимости для поглощения света в АОП (см. рис. 1.4).
21
Рис. 1.3 Типичные спектры ФЛ ОаАз (1) и ОаР (2), покрытых слоем АОГ1.
2 3 Ь 5 Л*,эВ
Рис. 1.4 Дисперсионные зависимости для отношений интенсивности ФЛ окисленной полупроводниковой пластины к интенсивности ФЛ для пластин без АОП (ОзАб (1). ОаР (2), ОаАвР (3)) [31 ]
Одной из характерных особенностей указанных дисперсионных кривых (рис. 1.4) является их заметное различие для ОаАя и ОаР. В случае ОаАз наблюдается более резкая граница фундаментального поглощения: рост показателя поглощения к от значения 10' до
22
105 см'1 происходит па участке спектра протяженностью менее 1 эВ. Для АОП на ОаР изменение величины поглощения существенно более постепенное. 11роведенный нами анализ показал, что полущенные для АОП спектры поглощения не удовлетворяют известному правилу Урбаха [33,34]. Это обстоятельство затрудняет однозначное определение ширины запрещенной зоны для оксидных пленок (Едо)« Однако, если условно принял, за начало фундаментального поглощения энергию квантов, соответсвующую к~104 см'1, что, как правило, имеет место для аморфных материалов [34]. то величина Е?ох оказывается близкой для обоих типов оксидов и равной Н8„хяг4,6±0,2 эВ (для АОП на ОаР) и ЕёОх»5,0±0,2 эВ (для АОП на ОаЛя). Эти результаты находятся в хорошем согласии с оценками, сделанными на основе наблюдений интереференции света.
23
§ 1.3 Фотоинжскцпонные явлении в ДП и МДП структу рах на основе GaAs и Gal*
Одним из наиболее информативных и удобных методов получения данных об энергетических барьерах на межфазных границах ДП и МДП структур является исследование инжекционных и фотоинжекционных явлений [35,36]. ІІ условиях термодинамического равновесия концентрация свободных носителей заряда в диэлектрической пленке ничтожно мала. Ввести подвижные электроны и дырки в изолятор можно либо путем инжекции (полевой, оптической) из прилегающих электродов, либо за счет фотогенерации в самом изоляторе. В подавляющем большинстве случаев оксидные слои на поверхности полупроводников имеют аморфную структуру, чш, очевидно, имеет место и в случае АОП. Для таких материалов образование дискретных уровней, отвечающих локализованным состояниям электронов, обычно связывают с нарушением дальнего порядка в атомной структуре материала, которое носит, как правило, случайный характер. Совокупность этих уровней, называемых «флуктуационными», образует «хвосты» плотности состояний в запрещенной зоне диэлектрической пленки. Несмотря на высокую плотность, эти состояния остаются дискретными поскольку в силу случайного характера их близость одновременно и в пространстве и по энергии маловероятна.
Наряду с относительно мелкими флуктуационными уровнями в запрещенной зоне диэлектрика могут присутствовать и уровни, расположенные на значительном удалении по энергии от границ запрещенной зоны. Инжектированные в такой диэлектрик электроны и дырки могул захватываться на эти глубокие уровни и оставаться гам в течении длительного времени, создавая избыточный заряд того или иного знака. Это позволяет проводить изучение инжекционных явлений двумя способами: в одном случае производится регистрация величины и знака заряда, захваченного в диэлектрике в результате инжекции свободных носителей, а в другом - измеряется направление и сила тока через диэлектрический слой.
24
Наиболее широкое распространение инжекционные методы получили при исследовании зонной энергетической структур на основе кремния и германия. Именно в применении к указанным материалам были разработаны основные теоретические положения, касающиеся инжекционных и фотоинжекдионных явлений в ДП и МДП структурах [35,37,381. В данной работе впервые методы, основанные на исследовании инжекционных и фотоинжекционных явлений были использованы для систематического исследования структур на основе бинарных полупроводников.
25
1.3.1 Методика измерений оптического заряжения
Величина, знак и кинетика изменения заряда, инжектированного в диэлектрическую пленку и захваченного там на глубокие ловушки, определялись по изменению контактной разности потенциалов (КРП), измерявшейся методом Кельвина [6,39]. Суть метода заключается в следующем. Исследуемый образец и металлический электрод сравнения (никель, золото и т.п.), разделенные вакуумным промежутком, образуют плоский конденсатор. Из-за различия работы выхода для электродов, изготовленных из различных материалов, между ними возникает контактная разность потенциалов (КРП). При периодическом изменении расстояния между обкладками с отличной от нуля КРП в замыкающей эти обкладки цени возникает электрический ток, амплитуда которою пропорциональна разности потенциалов, а частота совпадает с частотой изменения расстояния между обкладками. Если потенциал одной из них меняется, то меняется и амплитуда тока При равенстве потенциалов ток равен нулю. Таким образом, измеряя величину компенсирующего потенциала можно получить значение КРП. Принимая во внимание, что работа выхода для электрода сравнения может варьирован» в широких пределах в зависимости от окружающей среды, обработки и т.п., указанные измерения не могут обеспечить получения абсолютных значений КРП. Однако относительные изменения этой величины, могут быть получены в относительно простых экспериментах. На рис. 1.5 показана блок-схема использовавшейся для измерений установки.
Генератор механических колебаний (11), управляемый генератором ГЗ-34 (10) через стержень (12) возбуждал механические колебания на резонансной частоте (около 65 Гц) другого жесткого металлического стержня (3), проходящего через стенку измерительной ячейки, к которому крепился никелевый (или золотой) электрод в виде сетки (1). Указанный сеточный электрод служил одной из обкладок конденсатора, а другой его обкладкой был исследуемый образец (2). Переменный электрический ток,
26
возникший її результате изменения емкости конденсатора, усилившіся селективным вольтметром В6-9 (6).
Рис. 1.5 Блок-схема установки для измерения КРП.
Источником напряжения, компенсирующего КРП, служил интегратор (4), собранный на микросхеме 140УД8Б. Входным сигналом для интегратора служило напряжение с синхронного детектора В9-2 (7), пропорциональное амплитуде тока в цепи переменного конденсатора. Знак этого тока определялся фазой колебаний. На вход синхронного детектора подавался усиленный сигнал от В6-9 и синхросигнал от генератора Г.3-34. Таким образом замыкалась обратная связь в цепи, управляющей величиной компенсирующего напряжения (АU), подаваемого на образец. При соответствующем выборе полярности сигнала, поступающего на интегратор от синхронного детектора, эта обратная связь приводила к автоматическому установлению минимального значения тока, определявшегося уровнем помех. Значение компенсирующего напряжения AU, соответствующего этому минимальному значению тока, измерялось вольтметром В7-30 (5) и регистрировалось самописцем КСП-4 (9), постоянная времени которого определяла постоянную времени всей измерительной схемы. Осциллограф С1-72 (8) служил для
27
визуального контроля степени компенсации КРП при настройке установки. Точность измерения изменил величины КРГІ (ЛКРП) была не хуже ±1 мВ.
Измерительная ячейка вакуумировалась до давления МО"6 Па. Внутри ячейки образец размещался на держателе, снабженном нагревателем, позволявшем проводить измерения при различной температуре образца в интервале от 300 до 500 К. Температура определялась с помощью термопары, закрепленной на держателе образца. При измерениях обеспечивалась стабилизация температуры с точностью не хуже ±2°.
Омический контакт к полупроводниковым подложкам образцов создавался, используя электрический пробой между двумя медными проводниками, предварительно приклеєними к подложке серебряной пастой. Особое внимание уделялось электрической экранировке измерительной ячейки для уменьшения уровня помех. Освещение образцов осуществлялось через металлический сеточный электрод. Свет от ксеноновой лампы ДКСШ-1000, монохроматизированный с помощью монохроматора МДР-2, проходил через кварцевое окно измерительной ячеки и фокусировался на поверхности образца. Перед проведением измерений оптического заряжения производился проірев образцов в вакууме при температу ре 500К в течении 2-х часов.
28
1.3.2 Методика измерения инжекцнонных токов
Измерение инжекцнонных токов производилось на образцах МДП структур, изгоговленых по описанной выше методике. Свет, прошедший через полупрозрачную часть металлического электрода, поглощался в диэлектрической пленке или полупроводниковой пластине, изменяя величину сквозного тока через структуру. Омический контакт к подложке создавался также, как в экспериментах но оптическому заряжению. Измерения проводились в вакуумированной до давления 10 ' Па ячейке. При измерениях использовался стабилизированный источник постоянного тока Б5-7, универсальный вольтметр-электрометр В7-30 и самописец КСП-4. Последний определял постоянную времени измерительной схемы (~ 1 сек), диапазон измеряемых токов был от 10' ' до 10' А, что соответсвовало плотности тока в МДП структуре от 10’11 до 10'5 А см 2. Точность измерения тока была не хуже ±10 ь А.
1.3.3 Методика термостиулированного опустошения ловушек
Важнейшим парамегром глубоких ловушек носителей заряда в диэлектрическом слое является их энергетическое положение (Е,) относительно разрешенных зон. Определенные заключения о величине Е, можно сделать, изучая термоактивационный процесс опустошения неравновесно заряженных центров захвата. Обычно рассматривают два случая стекания заряда: при постоянной температуре (изотермический отжиг) и при линейном нагреве. Последний часто моделируется ступенчатым нагревом с постоянной длительностью ступеней (изохронный отжиг).
Экспериментальные кривые изотермического и изохронного отжига позволяют определять энергию активации соответствующего процесса [40,41]. Гак, в простейшем случае центров, характеризующихся одним значением энергии активации, процесс разрядки описывается уравнением
29
ило/ф = -Р(АО) К- -Е(АО) Ко ехр(-Е/к'Г)
(1.1)
где А() - изменение заряда в ловушках, F(AQ) - непрерывная функция от А()\ К -характеристический коэффициент, который можно разложить на предэкспоненциальный множитель {Ко) и экспоненту, содержащую в показателе энергию активации Е, [42]. Формальное интегрирование уравнения (1.1) в пределах от АО1 до АОо дает:
Для фиксированных А&1 и AQo левая часть уравнения (1.2) является константой, что означает, что при различных температурах для изменения заряда ловушек от величины А()/ до АОо требуется разное время /, . Связь меж;у временем и температурой дастся выражением:
Таким образом, имея несколько кривых изотермического отжига (полученных при различных температурах Т,), можно определить значение энергии активации Е,.
Если производится линейный нагрев (или изохронный отжиг), то, подставляя в (1.4) где I - время, прошедшее с момента начала нагревания, а - скорость
нагревания, то при измерении с двумя разными скоростями а/ и а? получаем:
(1.2)
Г 1~ ехр(Е/кТ1) Сош1
(1.3)
Откуда:
!п I, - 1п (СопяО + Е/кТ(
(1.4)
30
1п[(а/а!) Х(Т{/72)2] = Е/к(1/Т,-1/Т2)
(1.5)
где Г/ и Т2 - температуры, при которых отжигается одна и та же часть начального изменения заряда, захваченного на ловушки.
Для процессов, характеризующихся одной энергией активации Е(, нахождение этого параметра не требует знания конкретного вида функции Е(ЛО). Рхли же процесс разрядки ловушек характеризуется некоторым распределением энергий активации, анализ кривых изотермического и изохронного отжига в общем случае становится невозможен. Обычно задаются некоторым конкретным видом Е(АО) и задача анапиза сводится к отысканию функции распределения и среднего значения энергии активации.
В наиболее общем виде рассмотрение процесса изохронного и изотермического отжига можно найти, например, в работе [43]. Для Т=Сопя1 получено выражение, позволяющее определить из экспериментальных кривых изотермического отжига первоначальный спектр заряженных ловушек:
Уравнение (1.6) задает форму спектра, а положение его на оси энергий определяется фактором Ко (так называемый частотный фактор) в соответствии с уравнением (1.7). При некоторой температуре Т и изменении времени г в достаточно широком диапазоне за время отжига заряда проходится небольшой участок энергетического спектра. Так из выражения (1.7) можно получить, что при Т=300К и К0 , изменяющейся в пределах от И)2 до 1015 сек'1, изменение Е0 составит до 0,15 эВ. Однако при проведении эксперимента с достаточной точностью, кривые изотермического отжига могут быть зарегистрированы в еще более узком временном интервале [44]. Нели
А(1,о(Е0) ~({/кТ) (с1ЛО(1)/с10 = -1/кТ-с1ЛО0)Ш1
(1.6)
где Ео = кТ+1п(К(>1)
0.7)
31